Materie unike me masë negative. Shkencëtarët kanë demonstruar një substancë me një masë efektive negative

Studiuesit nga Universiteti Shtetëror i Uashingtonit (SHBA) kanë arritur sjelljen e atomeve të rubidiumit si një substancë me masë efektive negative. Kjo do të thotë se këto atome, nën ndikimin e jashtëm, nuk fluturuan drejt vektorit të këtij ndikimi. Në kushtet eksperimentale, ata silleshin sikur po përplaseshin me një mur të padukshëm sa herë i afroheshin kufijve të një zone me një vëllim shumë të vogël. Ai përkatës u botua në Letrat e rishikimit fizik. Eksperimenti u keqinterpretua nga media si "krijimi i materies me masë negative" (teorikisht, kjo lejon krijimin e vrimave të krimbave për udhëtime në distanca të gjata në hapësirë). Në fakt, marrja e një substance me masë negative, nëse është e mundur, është shumë përtej asaj që mund të arrihet nga shkenca dhe teknologjia moderne.

Atomet e rubidiumit u detyruan të lëviznin në drejtim të kundërt me vektorin e forcës së aplikuar ndaj tyre. Mediat e keqinterpretuan këtë si krijim të një substance me “masë negative”.

Autorët e punës ngadalësuan atomet e rubidiumit me një lazer (ulja e shpejtësisë së grimcave nënkupton ftohjen e saj). Në fazën e dytë të ftohjes, atomet më energjike u lejuan të largoheshin nga vëllimi i ftohur. Kjo e ftoi atë edhe më tej, ashtu si avullimi i atomeve të ftohësit ftoh përmbajtjen e një frigoriferi shtëpiak. Në fazën e tretë, u përdor një grup tjetër lazerësh, pulset e të cilave ndryshuan rrotullimin (në terma të thjeshtuar - drejtimin e rrotullimit rreth boshtit të vet) të pjesëve të atomeve.

Meqenëse disa atome në vëllimin e ftohur vazhduan të kishin rrotullim normal, ndërsa të tjerët morën rrotullimin e kundërt, ndërveprimi i tyre me njëri-tjetrin fitoi një karakter të pazakontë. Nën sjelljen normale, atomet e rubidiumit do të përplaseshin dhe do të shpërndaheshin në drejtime të ndryshme. Atomet qendrore do t'i shtynin atomet e jashtme nga jashtë, duke i përshpejtuar në drejtimin e forcës së aplikuar (vektori i lëvizjes së atomit të parë). Për shkak të mospërputhjes në rrotullime, në praktikë, atomet e rubidiumit, të ftohur në fraksione të vogla të kelvinit, nuk u shpërndanë pas përplasjeve, duke mbetur në vëllimin e tyre origjinal, i barabartë me afërsisht një të mijtën e një milimetri kub. Nga jashtë dukej sikur po vraponin në një mur të padukshëm.

Një analogji shumë e largët për një grup atomesh me rrotullime të ndryshme është përplasja e dy ose më shumë topave të futbollit, të cilët më parë janë përdredhur me një goditje anësore derisa të rrotullohen rreth boshtit të tyre në drejtime të ndryshme. Është e qartë se drejtimet dhe shpejtësitë e lëvizjes së tyre pas përplasjes do të ndryshojnë ndjeshëm nga të njëjtat rezultate për topat e zakonshëm. Por kjo nuk do të thotë se topat kanë ndryshuar masën e tyre fizike. Vetëm natyra e ndërveprimit të tyre me njëri-tjetrin ka ndryshuar. Gjithashtu në eksperiment, masa e atomeve nuk u bë negative. Në një fushë gravitacionale ata do të bien ende poshtë. E vetmja gjë që ndryshoi vërtet ishte vendi ku ata lëvizën pas përplasjeve me atome të tjerë të ngjashëm, por "duke rrotulluar" rreth boshtit të tyre në drejtimin tjetër.

Mënyra se si atomet e rubidiumit u sollën në eksperiment korrespondon me përkufizimin e masës efektive negative në fizikë. Përdoret, për shembull, kur përshkruan sjelljen e një elektroni në një rrjetë kristalore. Për të, masa formale varet nga drejtimi i lëvizjes në lidhje me boshtet e kristalit. Duke lëvizur në një drejtim, do të tregojë një shpërndarje (shpërndarje), në tjetrën - një tjetër. Koncepti i masës efektive u prezantua për ta, sepse përndryshe, kur përshkruhej shpërndarja e tyre me formula, masa do të fillonte të varet nga energjia, e cila nuk është shumë e përshtatshme për llogaritje. Një shembull i një mase efektive negative është sjellja e vrimave në gjysmëpërçuesit, me të cilat merret çdo përdorues i elektronikës moderne.

Shumica e mediave, përfshirë ato ruse, e interpretuan eksperimentin si krijimin e një substance me masë negative. Në teori, materia me veti të ngjashme mund të përdoret për të mbajtur vrimat e krimbave në gjendje pune, duke lejuar udhëtimin në distanca të gjata në hapësirë dhe kohë në kohën afër zeros. Mundësia praktike e krijimit të një substance të tillë, si dhe vetë vrimat e krimbave, nuk është vërtetuar ende. Edhe nëse është e mundur, marrja e tij me aftësitë moderne teknike të njerëzimit është joreale.

Këshillohet që të shikoni me një rezolucion prej 1280 X 800

“Teknologjia për të rinjtë”, 1990, nr 10, f. 16-18.

Skanuar nga Igor Stepikin

Tribuna e hipotezave të guximshme

Ponkrat BORISOV, inxhinier
Masa negative: një udhëtim falas deri në pafundësi

Artikuj mbi këtë temë janë shfaqur herë pas here në revista të huaja dhe sovjetike të fizikës për më shumë se 30 vjet. Por çuditërisht, ato ende nuk duket se kanë tërhequr vëmendjen e popullarizuesve. Por problemi i masës negative, dhe madje edhe në një formulim rreptësisht shkencor, është një dhuratë e shkëlqyer si për dashamirët e paradokseve të fizikës moderne, ashtu edhe për shkrimtarët e trillimeve shkencore. Por kjo është pronë e letërsisë së specializuar: ndjesia në të mund të mbetet e fshehur për dekada...

Pra, ne po flasim për një formë hipotetike të materies, masa e së cilës është e kundërt në shenjë me atë të zakonshme. Menjëherë lind pyetja: çfarë do të thotë kjo në të vërtetë? Dhe menjëherë bëhet e qartë: përcaktimi i saktë i konceptit të masës negative nuk është aq i thjeshtë.

Pa dyshim, ai duhet të ketë vetinë e zmbrapsjes gravitacionale. Por rezulton se vetëm kjo nuk mjafton. Në fizikën moderne, dallohen rreptësisht katër lloje të masës:

aktiv gravitacional - ai që tërheq (nëse është pozitiv, sigurisht);

pasiv gravitacional - ai që tërhiqet;

inerte, e cila fiton një nxitim të caktuar nën veprimin e një force të aplikuar (a = F/m);

së fundi, masa e pushimit të Ajnshtajnit, e cila specifikon energjinë totale të trupit (E = mC 2).

Sipas teorive të pranuara përgjithësisht, ato janë të gjitha të barabarta në madhësi. Por është e nevojshme të bëhet dallimi midis tyre, dhe kjo bëhet e qartë pikërisht kur përpiqeni të përcaktoni masën negative. Fakti është se do të jetë krejtësisht e kundërt me atë të zakonshmen vetëm nëse të katër llojet e tij bëhen negative.

Bazuar në këtë qasje, në artikullin e parë mbi këtë temë, të botuar në vitin 1957, fizikani anglez H. Bondi përcaktoi vetitë themelore të "masës minus" përmes provave rigoroze.

Mund të mos jetë edhe shumë e vështirë t'i përsërisni këtu, pasi ato bazohen vetëm në mekanikën Njutoniane. Por kjo do të rrëmojë historinë tonë, dhe më pas ka shumë "hollësi" fizike dhe matematikore këtu. Prandaj, le të kalojmë drejtpërdrejt te rezultatet, veçanërisht pasi ato janë mjaft të qarta.

Së pari, "materia minus" duhet të zmbrapsë në mënyrë gravitacionale çdo trup tjetër, domethënë jo vetëm me masë negative, por edhe me masë pozitive (ndërsa materia e zakonshme, përkundrazi, gjithmonë tërheq lëndën e të dy llojeve). Më tej, nën ndikimin e çdo force, deri në forcën e inercisë, ajo duhet të lëvizë në drejtim të kundërt me vektorin e kësaj force. Dhe së fundi, energjia e tij totale e Ajnshtajnit duhet të jetë gjithashtu negative.

Prandaj, meqë ra fjala, duhet theksuar se lënda jonë mahnitëse nuk është antimateria, masa e së cilës ende konsiderohet pozitive. Për shembull, sipas ideve moderne, "Anti-Toka" e bërë nga antimateria do të rrotullohej rreth Diellit në të njëjtën orbitë si planeti ynë.

E gjithë kjo është ndoshta pothuajse e qartë. Por pastaj fillon e pabesueshmja.

Le të marrim të njëjtën gravitet. Nëse dy trupa të zakonshëm tërhiqen dhe afrohen, dhe dy antimasa zmbrapsen dhe shpërndahen, atëherë çfarë do të ndodhë gjatë bashkëveprimit gravitacional të masave të shenjave të ndryshme?

Le të jetë ky rasti më i thjeshtë: një trup (le të themi një top) i përbërë nga materia me masë negative -M është pas një objekti (le ta quajmë "raketë" - do ta zbulojmë tani pse) me një masë pozitive të barabartë. +M. Është e qartë se fusha gravitacionale e topit e zmbraps raketën, ndërsa ajo vetë e tërheq topin. Por nga kjo rrjedh (kjo është përsëri e vërtetuar rreptësisht) se i gjithë sistemi do të lëvizë përgjatë një linje të drejtë që lidh qendrat e dy masave, me nxitim konstant proporcional me forcën e ndërveprimit gravitacional midis tyre!

Natyrisht, në shikim të parë, kjo pamje e lëvizjes spontane, pa shkak "dëshmon" vetëm një gjë: antimasa me vetitë që i kemi atribuar në përkufizim që në fillim thjesht nuk mund të ekzistojë. Në fund të fundit, ne morëm atë që dukej si një grumbull i tërë shkeljesh të ligjeve më të pandryshueshme.

Epo, a nuk shpërfillet plotësisht këtu, për shembull, ligji i ruajtjes së momentit? Të dy trupat, pa ndonjë arsye të dukshme, nxitojnë në një drejtim, por asgjë nuk lëviz në drejtim të kundërt. Por mos harroni se një nga masat është negative! Por kjo do të thotë se impulsi i tij, pavarësisht shpejtësisë, ka një shenjë minus: (-M)V, dhe atëherë impulsi i përgjithshëm i sistemit të dy trupave mbetet ende zero!

E njëjta gjë vlen edhe për energjinë totale kinetike të sistemit. Ndërsa trupat janë në qetësi, është e barabartë me zero. Por sado shpejt të lëvizin, asgjë nuk ndryshon: masa negative e topit, në përputhje të plotë me formulën (-M)V 2/2, grumbullon energji kinetike negative, e cila kompenson saktësisht rritjen e energjisë pozitive të raketë.

Nëse e gjithë kjo duket absurde, atëherë mbase ne do ta "trokasim me pykë" dhe do të përpiqemi të konfirmojmë një absurditet me një tjetër? Që në klasën e gjashtë ne kemi ditur se qendra e masave të pikave të barabarta (natyrisht pozitive) ndodhet në mes ndërmjet tyre. Pra - si ju pëlqen përfundimi tjetër? Qendra e masave pikësore të barabarta me SHENJË TË NDRYSHME shtrihet, megjithëse në një vijë të drejtë që kalon nëpër to, por jo brenda, por JASHTË segmentit që i lidh, në pikën ±Ґ?!

Epo, a është më e lehtë?

Nga rruga, ky përfundim është tashmë mjaft elementar, dhe kushdo, nëse dëshiron, mund ta përsërisë atë, duke ditur fizikën në nivelin e së njëjtës klasë të gjashtë.

Kushdo që nuk e merr fjalën për këtë dhe dëshiron të sigurohet që të gjitha llogaritjet janë të sakta, mund t'i drejtohet një prej botimeve më të fundit mbi këtë temë - artikulli i fizikanit amerikan R. Forward "Motor rakete mbi lëndën e masës negative", botuar. në revistën e përkthyer “Aerospace Engineering” nr.4 për vitin 1990.

Por ndoshta lexuesi i sofistikuar mendon se pa asnjë llogaritje e ka kuptuar se ku i është rrëshqitur “bliri”? Në të vërtetë, në të gjitha këto argumente elegante pyetja hesht: nga lindi një masë kaq e mrekullueshme? Në fund të fundit, cilado qoftë origjina e saj, energjia do të duhet të shpenzohet për "nxjerrjen", "prodhimin" e saj ose, të themi, për dërgimin në skenën e veprimit, që do të thotë ...

Mjerisht, lexues me përvojë! Energjia, natyrisht, do të jetë e nevojshme, por përsëri negative. Nuk ka asgjë për të bërë: në formulën e Ajnshtajnit për energjinë totale të një trupi E = Mc 2, masa jonë e mrekullueshme ka ende të njëjtën shenjë minus. Kjo do të thotë se "bërja" e një çifti trupash me masa të barabarta shenjash të ndryshme do të kërkojë ZERO energji totale. E njëjta gjë vlen edhe për dorëzimin dhe çdo manipulim tjetër.

Jo - pavarësisht se sa paradoksale janë të gjitha këto rezultate, përfundimet strikte pohojnë se prania e antimasës nuk bie në kundërshtim jo vetëm me mekanikën e Njutonit, por edhe me teorinë e përgjithshme të relativitetit. Nuk ishte e mundur të gjesh ndonjë ndalim logjik për ekzistencën e tij.

Epo, nëse teoria "lejon", atëherë le të mendojmë, për shembull, çfarë mund të ndodhë gjatë kontaktit fizik të dy grimcave identike të materies me masë plus dhe minus? Me antimaterinë "e zakonshme" gjithçka është e qartë: asgjësimi do të ndodhë me çlirimin e energjisë së plotë të të dy trupave. Por nëse një nga dy masat e barabarta është negative, atëherë energjia totale e tyre, siç sapo kuptuam, është zero. Por ÇFARË do të ndodhë me ta në realitet është një pyetje që shkon përtej kufijve të teorisë.

Rezultati i një ngjarjeje të tillë mund të dihet vetëm përmes përvojës. Është e pamundur ta "llogaritësh" atë - në fund të fundit, ne nuk kemi asnjë ide për "mekanizmin e veprimit" të masës negative, "strukturën e saj të brendshme" (pasi, që ra fjala, ne nuk e dimë këtë për masën e zakonshme). Teorikisht, një gjë është e qartë: në çdo rast, energjia totale e sistemit do të mbetet zero. Ne kemi të drejtë të paraqesim vetëm një HIPOTEZË, siç bën i njëjti Forward. Sipas supozimit të tij, ndërveprimi fizik këtu nuk çon në asgjësim, por në të ashtuquajturin "anulim", domethënë asgjësimin e ndërsjellë "të heshtur" të grimcave, zhdukjen e tyre pa asnjë lëshim energjie.

Por, e përsërisim, vetëm një eksperiment mund të konfirmojë ose hedh poshtë këtë hipotezë.

Për të njëjtat arsye, ne nuk dimë asgjë se si të "bëjmë" masë negative (nëse kjo është edhe e mundur). Teoria thotë vetëm se dy masa të barabarta të shenjave të kundërta, në parim, mund të lindin pa asnjë shpenzim energjie. Dhe sapo të shfaqet një çift i tillë trupash, ai do të fluturojë, duke përshpejtuar, në një vijë të drejtë deri në pafundësi...

R. Forward në artikullin e tij tashmë ka “projektuar” një motor me masë negative, i cili mund të na çojë në çdo pikë të Universit me çdo nxitim që vendosim. Rezulton se gjithçka që ju nevojitet për këtë është ... një palë susta të mira (të gjitha ndërveprimet e "masës minus" me atë normale përmes forcave elastike, natyrisht, llogariten gjithashtu në detaje).

Pra, le ta vendosim masën tonë të mrekullueshme, të barabartë në madhësi me masën e raketës, në mes të "ndarjes së motorit" të saj. Nëse keni nevojë të fluturoni përpara, shtrini sustën nga muri i pasmë dhe lidhni atë në një trup me masë negative. Menjëherë, për shkak të vetive të tij inerciale "të çoroditura", do të nxitojë jo atje ku po tërhiqet, por në drejtim të kundërt, duke tërhequr raketën së bashku me të me një nxitim në përpjesëtim me forcën e tensionit të pranverës.

Për të ndaluar nxitimin, thjesht shkëputni sustën. Dhe për të ngadalësuar dhe ndaluar anijen, duhet të përdorni një pranverë të dytë të ngjitur në murin e përparmë të ndarjes së motorit.

E megjithatë ka një përgënjeshtrim të pjesshëm të "motorit të lirë"! Vërtetë, ajo vjen nga një drejtim krejtësisht i papritur. Por më shumë për këtë në fund.

Ndërkohë, le të kërkojmë vende ku mund të gjenden sasi të mëdha të masës negative. Vende të tilla sugjerohen nga zbrazëtitë gjigante të zbuluara në hartat tredimensionale në shkallë të gjerë të shpërndarjes së galaktikave në Univers - fenomenet më interesante në vetvete. Siç mund të shihet nga Fig. 2, dimensionet e këtyre zgavrave, të cilat quhen gjithashtu thjesht "flluska", janë rreth 100 milionë vite dritë (ndërsa dimensionet e galaktikës sonë janë rreth 0.06 milionë vite dritë). Kështu, në shkallën më të madhe, Universi ka një strukturë "të shkumëzuar".

Kufijtë e flluskave shënohen qartë nga grupime të një numri të madh galaktikash. Praktikisht nuk ka asnjë brenda flluskave, dhe nëse ato ndodhin atje, atëherë këto janë objekte shumë të pazakonta. Ato karakterizohen nga spektra të rrezatimit të fuqishëm me frekuencë të lartë. Tani besohet se flluskat përmbajnë galaktika "të dështuara" ose re gazi të hidrogjenit të zakonshëm.

Por a nuk është e mundur të supozohet se struktura "e shkumëzuar" e Universit është rezultat i formimit të tij nga i njëjti numër grimcash me masë negative dhe pozitive? Nga ky shpjegim, meqë ra fjala, rrjedh natyrshëm një pasojë shumë tërheqëse: masa totale e Universit ka qenë gjithmonë dhe mbetet e barabartë me zero. Atëherë flluskat janë vende natyrale për masën minus, grimcat e të cilave priren të lëvizin sa më larg njëri-tjetrit. Dhe masa pozitive shtyhet në sipërfaqen e flluskave, ku, nën ndikimin e gravitetit, formon galaktika dhe yje. Këtu mund të kujtojmë artikullin e A. A. Baranov, i cili u botua në vitin 1971 në nr. 11 të revistës "Izvestia e Universiteteve". Fizika”. Aty merret parasysh një model kozmologjik i Universit me grimca që kanë masa të të dyja shenjave. Duke përdorur këtë model, autori shpjegon vlerësimet eksperimentale të konstantës kozmologjike dhe zhvendosjes së kuqe të Hubble, si dhe disa fenomene anormale të vëzhguara në galaktikat që ndërveprojnë.

Një tjetër shenjë e mundshme e sasive të mëdha të masës negative është prania e "rrymave" shumë të shpejta në strukturat në shkallë të gjerë të Universit. Kështu, supergrupi që përmban Galaxy tonë "rrjedh" me një shpejtësi prej 600 km/s në krahasim me sfondin e qetë të rrezatimit të sfondit kozmik të mikrovalës. Kjo shpejtësi nuk përshtatet në kuadrin e teorive të formimit të galaktikave nga materia e errët e ftohtë. R. Forward sugjeron përpjekjen për të shpjeguar këtë fenomen duke marrë parasysh zmbrapsjen kolektive të supergrupeve nga flluska që përmbajnë masë negative.

Pra, lënda negative vetëm mund të shpërbëhet. Por kjo, rezulton, është një përgënjeshtrim i pjesshëm i shumë prej përfundimeve të diskutuara. Në fund të fundit, vetia e zmbrapsjes gravitacionale midis grimcave të materies, pavarësisht nga natyra e tyre, në mënyrë të pashmangshme çon në faktin se këto grimca nuk mund të bashkohen nën ndikimin e forcave gravitacionale. Për më tepër: meqenëse një grimcë me masë negative nën ndikimin e ndonjë force lëviz në drejtim të kundërt me vektorin e kësaj force, atëherë ndërveprimet e zakonshme ndëratomike nuk mund të lidhin grimca të tilla në trupa "normalë".

Por shpresojmë që lexuesi të ketë marrë ende kënaqësi nga të gjitha këto diskutime...

Fizikanët në Universitetin e Uashingtonit kanë krijuar një lëng me masë negative. Shtyjeni atë dhe ndryshe nga çdo objekt fizik që njohim në botë, ai nuk do të përshpejtohet në drejtim të shtytjes. Do të përshpejtohet në drejtim të kundërt. Fenomeni është krijuar rrallë në një mjedis laboratorik dhe mund të përdoret për të studiuar disa nga konceptet më komplekse rreth hapësirës, thotë Michael Forbes, një asistent profesor i fizikës dhe astronomisë në Universitetin e Uashingtonit. Studimi shfaqet në Physical Review Letters.

Hipotetikisht, një substancë mund të ketë masë negative në të njëjtin kuptim që një ngarkesë elektrike mund të jetë ose negative ose pozitive. Njerëzit rrallë mendojnë për këtë dhe bota jonë e përditshme demonstron vetëm aspektet pozitive të Ligjit të Dytë të Lëvizjes të Isaac Njutonit, i cili thotë se forca që vepron në një trup është e barabartë me produktin e masës së trupit dhe nxitimin e dhënë nga ajo forcë. , ose F = ma.

Me fjalë të tjera, nëse shtyni një objekt, ai do të përshpejtohet në drejtimin e shtytjes suaj. Masa do ta përshpejtojë atë në drejtim të forcës.

"Ne jemi mësuar me këtë gjendje," thotë Forbes, duke parashikuar një surprizë. "Me masë negative, nëse shtyni diçka, ajo do të përshpejtohet drejt jush."

Kushtet për masën negative

Së bashku me kolegët e tij, ai krijoi kushtet për masë negative duke ftohur atomet e rubidiumit afër zeros absolute, duke krijuar kështu një kondensatë Bose-Einstein. Në këtë gjendje, të parashikuar nga Shatyendranath Bose dhe Albert Einstein, grimcat lëvizin shumë ngadalë dhe, duke ndjekur parimet e mekanikës kuantike, sillen si valë. Ata gjithashtu sinkronizohen dhe lëvizin në unison si një lëng superfluid që rrjedh pa humbje energjie.

Të udhëhequr nga Peter Engels, një profesor i fizikës dhe astronomisë në Universitetin e Uashingtonit, shkencëtarët në katin e gjashtë të Webster Hall krijuan këto kushte duke përdorur lazer për të ngadalësuar grimcat, duke i bërë ato më të ftohta dhe duke lejuar grimcat e nxehta me energji të lartë të largohen si avull, duke ftohur më tej materialin.

Lazerët kapën atomet sikur të ishin në një tas me madhësi më të vogël se njëqind mikron. Në këtë fazë, rubidiumi superfluid kishte masë normale. Thyerja e tasit lejoi që rubidiumi të ikte, duke u zgjeruar ndërsa rubidiumi në qendër u shty nga jashtë.

Për të krijuar masë negative, shkencëtarët përdorën një grup të dytë lazerësh që i shtynin atomet përpara dhe mbrapa, duke ndryshuar rrotullimin e tyre. Tani, kur rubidiumi mbaron mjaft shpejt, ai sillet sikur të ketë masë negative. “Shtyjeni dhe do të përshpejtohet në drejtim të kundërt”, thotë Forbes. "Është sikur rubidiumi po godet një mur të padukshëm."

Eliminimi i defekteve kryesore

Metoda e përdorur nga shkencëtarët e Universitetit të Uashingtonit shmangi disa nga të metat kryesore të gjetura në përpjekjet e mëparshme për të kuptuar masën negative.

“Gjëja e parë që kuptuam ishte se kishim kontroll të kujdesshëm mbi natyrën e kësaj mase negative pa asnjë ndërlikim tjetër”, thotë Forbes. Hulumtimi i tyre shpjegon, tashmë nga perspektiva e masës negative, sjellje të ngjashme në sisteme të tjera. Kontrolli i shtuar u jep studiuesve një mjet të ri për të hartuar eksperimente për të studiuar fizikë të ngjashme në astrofizikë, si yjet neutron, dhe fenomene kozmologjike si vrimat e zeza dhe energjia e errët, ku eksperimentet thjesht nuk janë të mundshme.

Astrofizikani britanik Jamie Farnes ka propozuar një model kozmologjik në të cilin masa negative prodhohet me një ritëm konstant gjatë gjithë evolucionit të Universit. Ky model bie ndesh me pikëpamjen e pranuar përgjithësisht të natyrës së materies, por shpjegon mirë shumicën e efekteve që zakonisht i atribuohen materies së errët dhe energjisë së errët, në veçanti, zgjerimi i Universit, formimi i strukturës në shkallë të gjerë të Universi dhe haloja galaktike, kthesat e rrotullimit të galaktikave dhe spektri i vëzhguar i rrezatimit kozmik të sfondit mikrovalor. Artikull i botuar në Astronomi & Astrofizikë, një paraprintim i veprës është postuar në arXiv.org.

Aktualisht, shumica e kozmologëve besojnë se evolucioni i Universit përshkruhet nga modeli ΛCDM. Sipas këtij modeli, rreth 70 për qind e masës së Universit vjen nga energjia e errët, 25 për qind nga materia e errët e ftohtë (domethënë materia, grimcat e së cilës lëvizin ngadalë), dhe vetëm 5 për qind e mbetur nga materia barionike e njohur. Shkencëtarët përcaktuan këto marrëdhënie duke analizuar harmonikat në modelin kozmik të rrezatimit të sfondit të mikrovalës. Mund të lexoni më shumë rreth matjes së "përbërjes" së Universit në artikujt e Boris Stern për satelitët WMAP dhe Planck, të cilët dhanë kontributin kryesor në këtë punë.

Fatkeqësisht, shkencëtarët kanë një kuptim të dobët të materies së errët dhe energjisë së errët. Asnjë nga eksperimentet ultra të sakta për të kërkuar grimcat e materies së errët, të parashikuar nga një numër modelesh teorike (për shembull, SUSY), nuk ka marrë një rezultat pozitiv. Aktualisht, seksioni kryq i shpërndarjes për grimcat e zakonshme dhe grimcat "e errëta" me masa nga 6 në 200 megaelektronvolt është në rendin prej 10 -47 centimetra katrorë, gjë që praktikisht përjashton grimcat në këtë gamë të masës dhe i detyron fizikanët të zhvillojnë teori alternative. Megjithatë, materia e errët ende manifestohet përmes ndërveprimit gravitacional, duke modifikuar kthesat e rrotullimit të galaktikave dhe pamjen, dhe për këtë arsye shkencëtarët e hedhin poshtë këtë hipotezë.

Me energjinë e errët është edhe më keq. Vëzhgimi i vetëm që konfirmon drejtpërdrejt ekzistencën e tij, pavarësisht nga analiza e rrezatimit të sfondit mikrovalor kozmik, është zgjerimi i përshpejtuar i Universit, i matur me (në mënyrë indirekte, energjia e errët konfirmohet nga raporti i elementeve kimike në Universin e vëzhgueshëm). Për më tepër, fizikantët kanë pak kuptim se çfarë është energjia e errët niveli themelor . Sigurisht, në mënyrë cilësore mund të përshkruhet duke përdorur konstanten kozmologjike (termi lambda) në , por kjo metodë nuk ofron njohuri të reja dhe nuk na lejon të vendosim nga çfarë përbëhet energji e errët. Ajnshtajni shpjegoi shtesa të tilla duke përdorur grimca me masë negative - në këtë qasje, ekuacionet e lëvizjes bëhen simetrike, si ekuacionet e elektrodinamikës, dhe termi lambda shfaqet si një konstante integrimi, e cila nuk përmban asnjë kuptim fizik.

Materia me masë negative është lënda që përshpejtohet në drejtim të kundërt me një forcë. Një grimcë me masë negative largon grimcat me masë pozitive dhe negative, ndërsa grimcat "pozitive" tërheqin grimcat "negative". Fatkeqësisht, brenda kornizës së modelit ΛCDM, kjo metodë e përshkrimit të energjisë së errët është padyshim e dënuar të dështojë. Fakti është se gjatë zgjerimit të Universit, dendësia e përbërësve të ndryshëm ndryshon sipas ligjeve të ndryshme: dendësia e materies së ftohtë bie, dhe dendësia e energjisë së errët mbetet konstante. Prandaj, është e pamundur të identifikohet lënda me masë negative dhe energji të errët.

Ndërveprimi i grimcave me masë negative: shigjetat e zeza tregojnë forcat, shigjetat e kuqe tregojnë përshpejtimet

Jamie Farnes / Astronomi dhe Astrofizikë

Ndërveprimi i grimcave me masë pozitive dhe negative: shigjetat e zeza tregojnë forcat, shigjetat e kuqe tregojnë përshpejtimet

Jamie Farnes / Astronomi dhe Astrofizikë

Ndërveprimi i grimcave me masë pozitive: shigjetat e zeza tregojnë forcat, shigjetat e kuqe tregojnë përshpejtimet

Jamie Farnes / Astronomi dhe Astrofizikë

Megjithatë, astrofizikani Jamie Farnes pohon se ai ishte në gjendje të lidhë idenë e Ajnshtajnit me të dhënat vëzhguese. Për ta bërë këtë, ai kombinoi idenë e masës negative me një ide tjetër kundërintuitive të prodhimit të vazhdueshëm dhe uniform të masës në të gjithë vëllimin e Universit. Kjo ide është gjithashtu larg nga e reja, ajo u propozua për herë të parë në vitet 40 të shekullit të kaluar.

Teorikisht, procese të tilla mund të ndodhin vërtet në sfondin e një fushe të fortë gravitacionale (për shembull, për shkak të ). Duke marrë parasysh shtesa të ngjashme në tensorin standard të momentit të energjisë për masat pozitive, fizikani shkroi dhe zgjidhi ekuacionin e Friedmann-it, dhe më pas llogariti ligjin me të cilin Universi zgjerohet në këtë model. Shkencëtarët nuk morën parasysh kontributet e materies së zakonshme të errët dhe energjisë së errët. Si rezultat, rezultoi se ligjet e njohura riprodhohen nëse masa negative prodhohet me një shpejtësi konstante Γ = -3. H, Ku Hështë konstanta e Hubble. Në këtë rast, dendësia negative e masës do të mbetet konstante gjatë zgjerimit dhe do të simulojë në mënyrë efektive konstantën kozmologjike. Në këtë rast, shpejtësia e zgjerimit dhe jetëgjatësia e Universit janë të njëjta si në modelin ΛCDM.

Astrofizikani më pas llogariti se si masa negative do të shfaqej në shkallë më të vogla. Për ta bërë këtë, ai simuloi brenda kornizës së modelit të tij bashkëveprimin e një numri të madh grimcash me masë pozitive dhe negative. Meqenëse të gjitha paketat ekzistuese të astrofizikës nuk marrin parasysh modifikime të tilla të pazakonta, Farnes duhej të zhvillonte programin e tij. Për të shmangur çdo përafrim gjatë llogaritjeve, studiuesi llogariti koordinatat dhe shpejtësitë e secilës grimcë në çdo moment të kohës - kjo bëri të mundur rritjen e besueshmërisë së parashikimeve, megjithëse kërkesat e programit për burimet llogaritëse u rritën me katrorin e numrit të grimcat. Në veçanti, për shkak të kësaj, shkencëtari duhej të kufizohej në modelimin e 50 mijë grimcave.

Duke përdorur programin e zhvilluar, Farnes pa disa efekte që tradicionalisht i atribuohen materies së errët. Së pari, ai modeloi evolucionin e një grupi të dendur grimcash me masë pozitive të zhytur në një "det" grimcash me masë negative. Një sistem i tillë duhet të përshkruajë cilësisht evolucionin e galaktikave në fazat e fundit të zgjerimit të Universit, kur grimcat "negative" mbizotërojnë ndjeshëm mbi ato "pozitive". Në këtë problem, shkencëtari zgjodhi numrin e grimcave "pozitive". N+ = 5000, numri i negativit N− = 45000. Si rezultat, ai mori një shpërndarje dendësie që përputhet mirë me të dhënat e vëzhgimit - dendësia e grimcave rritet ngadalë kur dikush i afrohet qendrës së galaktikës dhe përkon me profilin e Burkert. Kjo zgjidh problemin cuspy halo që ndodh në modelin ΛCDM.

Evolucioni i një "galaktike" të materies pozitive të zhytur në një "det" të lëndës negative

Jamie Farnes / Astronomi dhe Astrofizikë

Profili i masës së galaktikës i llogaritur nga Farnes (blu) dhe i vëzhguar në praktikë (vija me pika rozë)

Jamie Farnes / Astronomi dhe Astrofizikë

Së dyti, me të njëjtat të dhëna fillestare, shkencëtari llogariti kurbën e rrotullimit të galaktikës dhe zbuloi se ajo gjithashtu përkon mirë me të dhënat e vëzhgimit. Ndërsa në një model me grimca thjesht "pozitive", materia në skajin e galaktikës lëviz më ngadalë se në qendër, në një model me një mbizotërim të grimcave "negative" shpejtësia është afërsisht konstante.

Kurba e rrotullimit të një galaktike të zhytur në një "det" me lëndë negative (e kuqe) dhe një galaktikë "të lirë" (e zezë)

Jamie Farnes / Astronomi dhe Astrofizikë

Së treti, Farnes tregoi se në modelin e tij struktura filamentare në shkallë të gjerë të Universit lind natyrshëm: galaktikat bashkohen në grupime, grupimet në supergrupe dhe supergrupet në zinxhirë dhe mure. Për ta bërë këtë, ai llogariti evolucionin e një sistemi që përmban të njëjtin numër grimcash "pozitive" dhe "negative". Për shkak të kufizimeve në fuqinë llogaritëse të disponueshme, shkencëtari vendosi numrin e të dy llojeve të grimcave N + = N− = 25000. Si në rastin e mëparshëm, grimcat "negative" rrethuan grimcat e materies së zakonshme dhe formuan një halo, por këtë herë studiuesi ishte në gjendje të dallonte modele në shkallë më të mëdha që i ngjanin strukturës së Universit të vëzhgueshëm.

Struktura homogjene e universit në fillim të simulimit

Jamie Farnes / Astronomi dhe Astrofizikë

Regjistruar në praktikë. Fatkeqësisht, ai nuk ishte në gjendje ta shihte këtë efekt në simulimet me 50,000 grimca. Megjithatë, shkencëtari shpreson se në simulimet në shkallë më të madhe me një milion grimca procese të tilla do të jenë të dukshme dhe gjithashtu sugjeron që ata të konfirmojnë ose hedhin poshtë teorinë e re.

Më në fund, shkencëtari kontrolloi se sa fuqishëm modifikimi i propozuar i modelit ΛCDM do të shtrembëronte efektet e vëzhguara në të vërtetë - zgjerimi i Universit i matur me qirinj standardë, sfondi kozmik i mikrovalës dhe vëzhgimet e bashkimit të grupimeve galaktikash. Në të gjitha këto raste, astrofizikani zbuloi se hipoteza e tij ishte në përputhje me të dhënat e vëzhguara. Sidoqoftë, mjaft pyetje mbeten ende të hapura - në veçanti, nuk është e qartë se si të lidhet një hipotezë e tillë me Modelin Standard (a mund të gjenerojë mekanizmi Higgs masa negative?), si të zbulohen në mënyrë eksperimentale grimcat me një masë negative dhe si të shpjegohen kontradiktat midis zmbrapsjes së grimcave “negative” dhe teorisë. Megjithatë, shkencëtari beson se të gjitha këto probleme mund të zgjidhen brenda kornizës së modelit të ri.

Kështu, modeli me prodhim të vazhdueshëm të masës negative shpjegon jo vetëm zgjerimin e vëzhguar të universit, por edhe formimin e strukturës së tij në shkallë të gjerë, aureolët e lëndës së errët rreth galaktikave dhe kthesat e rrotullimit - shumica e efekteve që zakonisht i atribuohen errësirës. energjia dhe lënda e errët. Mjaft e çuditshme, e tillë intuitivisht e panatyrshme një hipotezë që bie ndesh me pikëpamjen e pranuar përgjithësisht të materies është plotësisht pajtohet me të dhëna vëzhgimi. Për më tepër, ajo propozon t'i shpjegojë ato në një mënyrë më të thjeshtë, duke përfshirë më pak subjekte. Siç shkruan vetë autori në përfundim, “Edhe pse ky propozim është apostat dhe heretik, [punimi] sugjeroi se vlerat negative të këtyre parametrave mund të shpjegonin në parim të dhënat e vëzhgimit kozmologjik, të cilat gjithmonë janë interpretuar brenda supozimit të arsyeshëm të pozitivit. masë.”

Ndonjëherë fizikanët dalin me ide mjaft të pazakonta për të shpjeguar mospërputhjet e vërejtura midis teorisë dhe eksperimentit. Për shembull, nëntorin e kaluar, fizikani teorik amerikan Hooman Davoudiasl prezantoi një forcë të re që bartet nga një grimcë skalare ultra e lehtë dhe e shtyn materien e errët larg Tokës. Ky supozim shpjegon mirë dështimet e të gjitha eksperimenteve tokësore për të kërkuar lëndën e errët - nëse një forcë e tillë ekziston vërtet, detektorët, në parim, nuk mund të regjistronin asgjë. Fatkeqësisht, është e pamundur të verifikohet kjo deklaratë në nivelin aktual të zhvillimit të teknologjisë.

Dmitry Trunin

Vrima hipotetike e krimbit në hapësirë-kohë

Në fizikën teorike, ky është koncepti i një substance hipotetike, masa e së cilës ka vlerë të kundërt me masën e një lënde normale (ashtu si një ngarkesë elektrike mund të jetë pozitive dhe negative). Për shembull, -2 kg. Një substancë e tillë, nëse do të ekzistonte, do të shkelte një ose më shumë dhe do të shfaqte disa veti të çuditshme. Sipas disa teorive spekulative, materia me masë negative mund të përdoret për të krijuar (vrima krimbi) në hapësirë-kohë.

Tingëllon si fantashkencë absolute, por tani një grup fizikantësh nga Universiteti Shtetëror i Uashingtonit, Universiteti i Uashingtonit, Universiteti OIST (Okinawa, Japoni) dhe Universiteti i Shangait po tregojnë disa nga vetitë e një materiali hipotetik masiv negativ. Për shembull, nëse e shtyni këtë substancë, ajo do të përshpejtohet jo në drejtimin e forcës së aplikuar, por në drejtim të kundërt. Kjo do të thotë, përshpejtohet në drejtim të kundërt.

Për të krijuar një substancë me veti në masë negative, shkencëtarët përgatitën një kondensatë Bose-Einstein duke ftohur atomet e rubidiumit në pothuajse zero absolute. Në këtë gjendje, grimcat lëvizin jashtëzakonisht ngadalë dhe efektet kuantike fillojnë të shfaqen në nivelin makroskopik. Kjo do të thotë, në përputhje me parimet e mekanikës kuantike, grimcat fillojnë të sillen si valë. Për shembull, ato sinkronizohen me njëri-tjetrin dhe rrjedhin nëpër kapilarët pa fërkime, domethënë pa humbur energji - efekti i të ashtuquajturit superfluiditet.

Në laboratorin e Universitetit të Uashingtonit, u krijuan kushtet për formimin e një kondensate Bose-Einstein në një vëllim më të vogël se 0.001 mm³. Grimcat u ngadalësuan nga një lazer dhe pritën derisa më energjikët prej tyre të largoheshin nga vëllimi, gjë që e ftoi më tej materialin. Në këtë fazë, lëngu superkritik kishte ende një masë pozitive. Nëse vula e enës thyhej, atomet e rubidiumit do të shpërndaheshin në drejtime të ndryshme, pasi atomet qendrore do të shtynin atomet më të jashtme dhe do të përshpejtoheshin në drejtim të forcës së aplikuar.

Për të krijuar një masë efektive negative, fizikanët përdorën një grup tjetër lazerësh që ndryshuan rrotullimin e disa prej atomeve. Siç parashikon simulimi, në zona të caktuara të enës grimcat duhet të fitojnë masë negative. Kjo mund të shihet qartë nga rritja e mprehtë e densitetit të materies në funksion të kohës në simulimet (në diagramin e poshtëm).

Figura 1. Zgjerimi anizotropik i një kondensate Bose-Einstein me koeficientë të ndryshëm të forcës së kohezionit. Rezultatet reale eksperimentale tregohen me të kuqe, rezultatet e parashikimit të simulimit tregohen me të zezë.

Diagrami i poshtëm është një pamje nga afër e kornizës së mesme në rreshtin e poshtëm të figurës 1.

Diagrami i poshtëm tregon një simulim njëdimensional të densitetit total si funksion i kohës në rajonin ku u shfaq për herë të parë paqëndrueshmëria dinamike. Vijat me pika ndajnë tre grupe atomesh me shpejtësi

në një moment pothuajse

Ku është masa efektive

fillon të bëhet negativ (linja e lartë). Tregohet pika e masës minimale negative efektive (në mes) dhe pika ku masa kthehet në vlera pozitive (vija e poshtme). Pikat e kuqe tregojnë vendet ku kuazi rrotullimi lokal qëndron në rajonin e masës efektive negative.

Rreshti i parë i grafikëve tregon se gjatë eksperimentit fizik, substanca u soll në përputhje të saktë me rezultatet e simulimit, i cili parashikon shfaqjen e grimcave me një masë efektive negative.

Në një kondensatë Bose-Einstein, grimcat sillen si valë dhe për këtë arsye nuk përhapen në drejtimin në të cilin duhet të përhapen grimcat normale me masë efektive pozitive.

Me drejtësi, duhet thënë se fizikanët kanë regjistruar vazhdimisht gjatë eksperimenteve, por ato eksperimente mund të interpretohen në mënyra të ndryshme. Tani pasiguria është eliminuar kryesisht.

Artikulli shkencor 10 Prill 2017 në revistë Letrat e rishikimit fizik(doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, i disponueshëm me abonim). Një kopje e artikullit përpara dorëzimit në ditar më 13 dhjetor 2016 është e disponueshme falas në faqen e internetit arXiv.org (arXiv:1612.04055).

Materie unike me masë negative. Shkencëtarët kanë demonstruar një substancë me një masë efektive negative

Ponkrat BORISOV, inxhinier Masa negative: një udhëtim falas deri në pafundësi

Ponkrat BORISOV, inxhinier
Masa negative: një udhëtim falas deri në pafundësi